Technologiczne Przygotowanie Produkcji
obróbka plastyczna - plastic forming

Obróbka plastyczna – wprowadzenie

Obróbka plastyczna polega na wywoływaniu odkształceń plastycznych obrabianego przedmiotu w celu nadania mu wymaganego kształtu, wymiarów i właściwości. W tym celu wielkość stosowanego w tej przeróbce nacisku musi być tak dobrana, aby spowodować w metalu wystarczająco duże naprężenia dla zmiany jego kształtu i zachowanie tych zmian po ustaniu działania nacisku.

Odkształceniem plastycznym nazywamy takie odkształcenie, że po ustaniu działania sił ciało (metal) nie powraca do pierwotnej postaci i wymiarów. W ciałach idealnie plastycznych, po przekroczeniu granicy plastyczności odkształcenia trwałe powiększają się bez przyrostu sił. Obróbka plastyczna w celu nadania określonego kształtu przedmiotowi obrabianemu wykorzystuje wysokie ciśnienia. Materiał przedmiotu obrabianego odkształca się w kierunku wolnej przestrzeni.

Wyróżnia się następujące mechanizmy odkształcenia plastycznego:

  • poślizg dyslokacyjny;
  • bliźniakowanie;
  • pełzanie dyslokacyjne;
  • pełzanie dyfuzyjne;
  • poślizg po granicach ziaren.

Przykład operacji wykorzystującej zasadę odkształcenia plastycznego pokazana na ilustracji 1. W wyniku operacji walcowania wymiar początkowy H zmieniamy za pomocą obracających się walców na wymiar h przy czym objętość materiału przed i po walcowaniu pozostaje taka sama.

obróbka plastyczna - walcowanie

Ilustracja 1. Odkształcenia plastyczne na przykładzie operacji walcowania.

Zjawiska występujące wraz z odkształceniami plastycznymi

Podczas procesu plastycznego kształtowania przedmiotu należy liczyć się z wystąpieniem zjawisk mających istotny wpływ na naprężenia, strukturę materiału, własności mechaniczne, stan warstwy wierzchniej. Do tego typu zjawisk zalicza się:

  • umacnianie dyslokacyjne;
  • zmiany struktury materiału przedmiotu;
  • energia zmagazynowana;
  • zdrowienie;
  • rekrystalizacja;
  • starzenie odkształceniowe
Rekrystalizacja

Czynnikiem decydującym o rodzaju przeróbki plastycznej jest tak zwana temperatura rekrystalizacji, przy której pojawiają się pierwsze zrekrystalizowane mikroziarna odbudowującej się po zgnieceniu struktury metalu. Określenie temperatury rekrystalizacji nie jest rzeczą prostą, dla czystych metali wynosi ona w przybliżeniu :  Trekr. = 0,4 x Ttopn. [°C]. Przykładowe temperatury topnienia dla czystych pierwiastków podano w Tabeli 1.

Tabela 1. Wybrane pierwiastki i ich temperatury topnienia

Pierwiastek Temperatura topnienia [oC]
Miedź 1085
Srebro 961
Złoto 1064
Platyna 1769
Aluminium 660
Magnez 650
Nikiel 1455
Kobalt 1495
Wolfram 3410
Tantal 2996

Granica plastyczności odkształcanego materiału w dostatecznie niskiej temperaturze wzrasta w sposób ciągły w miarę zwiększającego się odkształcenia. Zwiększenie temperatury odkształcenia do temperatury rekrystalizacji lub wyższej, umożliwiającej wystąpienie procesów odnowy struktury, powoduje wielokrotne zmniejszenie oporu plastycznego materiału oraz eliminuje umocnienie półwyrobów. Wynika z tego podział obróbki plastycznej na tzw. obróbkę na zimno i na gorąco. Obróbkę plastyczną na zimno nazywa się proces prowadzony poniżej temperatury rekrystalizacji.

Obróbka plastyczna na gorąco stosujemy gdy odkształcenie plastyczne metalu powyżej warunków jego rekrystalizacji, określoną temperaturą i czasem. W dużym uogólnieniu przyjąć można, założyć że obróbka plastyczna na gorąco prowadzona jest w zakresie temperatur : 0,6-0,7 Ttopn.

Podział obróbki plastycznej

Obróbkę plastyczną możemy podzielić w zależności od zastosowanego kryterium:

Kryterium zmiany wymiaru przedmiotu :

  1. wydłużanie (zwiększanie długości, przy nieznacznej zmianie szerokości);
  2. zwiększanie szerokości;
  3. spęczanie (zmniejszenie długości przy nieznacznej zmianie szerokości);
  4. zmniejszanie szerokości;
  5. wgłębianie (miejscowe zgniatanie materiału, który usuwając się pod naciskiem na boki tworzy wgłębienie);
  6. przesuwanie (przemieszczenie części metalu w stosunku do pierwotnego położenia całego przedmiotu);
  7. zakrzywianie (zmiana krzywizny przedmiotu);
  8. skręcanie (wzajemny obrót równoległych przekrojów przedmiotu).

Kryterium zasięg odkształcenia:

  1. kształtowanie powierzchniowe (zasięg odkształcenia ogranicza się do powierzchni przedmiotu bez zmiany jego zasadniczego kształtu – walcowanie gwintów, wybijanie monet);
  2. kształtowanie materiału jako bryły (obejmuje swym zasięgiem cały przedmiot przy zmianie jego kształtów – walcowanie blach i prętów, kucie, przeciąganie drutów);
  3. kształtowanie powłok (ma miejsce, gdy grubość przedmiotu jest bardzo mała w stosunku do innych jego wymiarów – gięcie, wywijanie i wytłaczanie blach, przeciąganie rur).

Kryterium rodzaju ruchu względnego:

  1. walcowanie (zgniatanie między obracającymi się napędzanymi walcami) – ilustracja 1;
  2. ciągnienie (przeciąganie materiału przez otwór ciągadła lub pomiędzy nienapędzanymi walcami);
  3. kucie (zgniatanie uderzeniem młota lub kowarki albo naciskiem statycznym prasy) – ilustracja 2 i 3;
  4. tłoczenie (cięcie lub kształtowanie plastyczne blach i taśm) – ilustracja 5.

Na ilustracji 2 przykład kształtowania blachy poprzez gięcie na prasie krawędziowej (ilustracja 3).

obróbka plastyczna - gięcie blachy

Ilustracja 2. Przykład wykorzystania gięcia – wizytownik (podstawka pod wizytówki).

obróbka plastyczna - prasa krawędziowa

Ilustracja 3. Przykładowa prasa krawędziowa – MTP MACHTOOL 2016

Na ilustracji 4 przedstawiono zasadę tłoczenia, w której istotną rolę odgrywa stempel i matryca. W przemyśle samochodowym tłoczenie wykorzystane jest do kształtowania elementów karoserii. Kiedy zużycie stempli i matryc osiąga graniczne wartości konieczne jest ich ponowne wykonanie. Ze względu na skalę produkcji w przemyśle samochodowym koszt wytworzenia stempli jest wysoki. Konieczność ich ponownego wykonania umożliwia wprowadzenie modyfikacji, a tym samym przeprowadzenie tzw. liftingu danego modelu samochodu.

obróbka plastyczna - tłoczenie

Ilustracja 4. Zasada tłoczenia – stempel i matryca kształtują przedmiot obrabiany.

W przypadku komponentów wymagających głębokiego tłoczenia konieczne jest przeprowadzenie wielostopniowego tłoczenia z użyciem różnych stempli i matryc.

Obróbka plastyczna – zastosowania

Obróbka plastyczna ma ogromne znaczenie w przemyśle motoryzacyjnym, elektrotechnicznym, zbrojeniowym, wyrobów precyzyjnych, artykułów gospodarstwa domowego itp. Przyczyną takiego rozpowszechnienia procesów obróbki plastycznej szczególnie w produkcji wielkoseryjnej i masowej są jej zalety:

  • Oszczędność materiału jest wynikiem wykonywania wyrobu przez zmianę kształtu, a nie przez usuwanie zbędnego materiału. Podczas obróbki skrawaniem 30% (w skrajnych przypadkach do 80%) materiału zamienia się w wióry, a podczas obróbki plastycznej traci się zaledwie 5-10% materiału (zgorzelina, grat, odpad).
  • Oszczędność narzędzi jest wynikiem bardzo dużej ich trwałości, a ponadto możliwości ich regeneracji (szczególnie narzędzi tłoczących).W rezultacie minio dużego kosztu bezwzględnego narzędzi ich koszt na jednostkę wyrobu jest znacznie mniejszy w porównaniu z obróbką.
  • Wydajność procesu, umożliwiająca na niewielkiej powierzchni, przy małej ilości oprzyrządowania i w krótkim czasie wykonanie dużej liczby wyrobów.
  • Dobra jakość wyrobów, ponieważ materiał przerobiony plastycznie, nawet, jeżeli zabieg nie powoduje umocnienia wywołanego zgniotem, ma lepsze, w porównaniu z innymi metodami wytwarzania, własności mechaniczne dzięki korzystniejszemu przebiegowi włókien. Ponadto wyroby cechuje względnie duża dokładność i stałość wymiarów.
  • Prostota procesu technologicznego umożliwiająca przy małej liczbie operacji uzyskanie wyrobu o złożonym kształcie. Ponadto ważna jest możliwość łączenia tłoczenia z innymi procesami jak skrawanie, spawanie, zgrzewanie itp. oraz łatwość mechanizacji i automatyzacji robót na prasach i organizowanie linii potokowych.
  • Niski koszt wyrobu wynikająca z oszczędności materiału i narzędzi, dużej wydajności procesu i możliwości wykorzystania pracowników o stosunkowo niskich kwalifikacjach.

Do obróbki plastycznej metali wykorzystuje się różne maszyny technologiczne: giętarki, prasy, wycinarki laserowe, plazmowe oraz wodną, ciągarki, walcarki, zwijarki, zgniatarki, wyoblarki, żłobiarki, gilotyny, znakowarki.

Śruby znormalizowane

Śruby znormalizowane produkowane masowo są przykładem zastosowania kucia na zimno (ilustracja 2) rzadziej na gorąco. Te metody zalicza się jak już napisano powyżej do obróbki plastycznej jako techniki wytwarzania. Najczęściej stosowanym w produkcji śrub półfabrykatem jest pręt. W zależności od klasy śruby jako materiał stosuje się stal niskowęglową z dodatkami stopowymi (np. mangan, chrom, bor, wanad) hartowaną i odpuszczaną lub stal średniowęglowa hartowana i odpuszczana. Oczywiście w zależności od potrzeb stosuje się stale m.in. stale nierdzewne, a także metale nieżelazne.

obróbka plastyczna - kucie na zimno - śruby znormalizowane

Ilustracja 2. Wybrane śruby znormalizowane jako przykład wykorzystania kucia na zimno.

Półfabrykat do produkcji śrub w postaci drutu lub pręta w pierwszej kolejności jest dzielony na mniejsze fragmenty. W następnym etapie pręt poddawany jest działaniu specjalnych pras. Formy o żądanym kształcie formują kawałek pręta lub drutu, zbijając lub zwężając wybrane jego części. W ten sposób dokonuje się zmiany się długość i przekrój przedmiotu obrabianego w jego poszczególnych miejscach. W ten sposób następuje ukształtowanie łba śruby oraz trzon, na którym następnie przy pomocy kolejnej prasy wytłacza się gwint.

Uformowane materiały złączne są następnie ulepszane za pomocą hartowania, a w razie potrzeby wykonywania specjalnych powłok poprawiających ich walory użytkowe, a także zapewniających odporność na korozję mogą być m.in. nawęglane, azotowane lub cynkowane.

Kucie metalu przeprowadza się w różnym zakresie temperatur (na zimno, na ciepło, na gorąco – tabela 2). Klasyfikacja z kryterium temperatury zależy od temperatury rekrystalizacji. Rekrystalizacja metali to proces, który polega na przywróceniu odkształconemu metalowi wszelkich właściwości fizycznych, mechanicznych oraz strukturalnych, jakie miał przed obróbką plastyczną. Rekrystalizacja przeprowadzania jest poprzez silne rozgrzanie i powolne studzenie metalu.

Tabela 2.
Rodzaj obróbki: Wielkość sił: Dokładność obróbki:
na zimno duże duża (wysoka precyzja)
na ciepło średnie średnia
na gorąco małe mała

 

Źródła

About author

morek

Rocznik 1973. W 1993 skończyłem Technikum Elektryczne Nr 1. W 1998 roku Wydział Mechaniczny Technologiczny i Automatyzacji (obecnie WIP) PW. 1997-2000 konstruktor narzędzi skrawających w F.W.P. VIS S.A. 2004. Doktorat z technologii kół zębatych. Technologie wytwarzania i procesy technologiczne to moja pasja.

Related Articles

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

YouTube



Kategorie

Statistics

  • 146 130
  • 6 532 831
  • 427 630
  • 181
%d bloggers like this: